航空微電子技術及產業分析

田澤

航空微電子技術和產品是航空電子系統的核心和基礎，本文從微電子技術的發展出發，提出了SoC/MCM(SIP)技術是航空電子系統發展迫切需要的核心技術之一。在此基礎上給出了航空電子系統中所用關鍵集成電路與元器件的四大類別，針對品種多、用量少、環境可靠性要求高等應用背景，對于將商用貨架（COST）芯片應用于軍事需求，以降低裝備成本的觀點，進行了分析。論述了國外機載設備廠商為了維持機載設備的領先地位，建立了自己的設計、生產、封裝和測試產業鏈，開展了“芯片可信任”計劃工作。針對國內薄弱的產業環境，對于可能的技術及產業問題進行了分析。

航空微電子及關鍵技術

以集成電路為核心的微電子技術，在軍事通信、軍事指揮、軍事偵察、電子干擾和反干擾、無人機、軍用飛機、導彈，雷達、自動化武器系統等方面得到廣泛應用，覆蓋了軍事信息領域的方方面面。因此，現代信息化戰爭又被稱為“芯片之戰”。出于國防裝備的需要，世界軍事強國不僅重視通用微電子技術發展，也十分重視專用微電子技術的發展。這是因為專用微電子產品不僅在國防裝備中應用廣泛，而且對國防裝備的作戰效能起著關鍵作用。美國提出，在其防務的技術優勢中，集成電路是最重要的因素。20世紀80年代美國就將集成電路列為戰略性產業。決定航空電子系統成本和技術的關鍵和核心，是以航空關鍵集成電路和元器件為核心的航空微電子技術和產品。

當前微電子科學技術一個重要的發展方向，就是由集成電路（IC）向集成系統（IS）轉變，并由此產生了微系統。微系統有兩重含義：一是將電子信息系統集成到硅芯片上，即信息系統的芯片集成——片上系統或System on-a-Chip（SoC）。另一含義就是微電子機械系統（MEMS）和微光機電系統。

SoC將一個基于PCB上實現的系統功能盡可能的轉化為基于功能、性能高度集成的基于硅的系統級芯片實現。因此，SoC盡可能多的集成系統的功能，可以減小系統體積重量，提高系統的性能，提高系統的可靠性，并能降低系統的制造成本。

MCM（Multi-Chip Module）是利用先進的微組裝技術將多個（2個或以上)集成電路管芯及其他微型元器件組裝在單一封裝外殼內，形成具有一定部件或系統功能的高密度微電子組件。基于MCM基礎上發展起來的系統級封裝SIP（System in Package），是將整個應用系統中所有的電路管芯和其他微型元器件組裝在單一封裝外殼內的技術。MCM/SIP技術的開發應用將是突破傳統封裝固有瓶頸的一種有效途徑，實現信息技術的發展對集成電路的封裝密度、處理速度、體積、重量及可靠性等方面提出新的應用要求。

上世紀90年代，美國NASA為實現太空飛船小型和微型化提出先進飛行計算機計劃（AFC），將MCM 作為在微電子領域保持領先地位的重要技術加以發展，并確定其為2010年前重點發展的十大軍民兩用高新技術之一。 日本一直以來都是MCM 技術的推崇者，他們建立的MCM技術協會進一步促進多芯片組件的發展與應用。

雖然SoC可以集成多種功能IP，但多工藝混合的IP難以采用SoC在單一硅片上實現, 因此雖然SoC發展迅速，但并不能取代MCM/SIP技術，一定程度上來講，MCM/SIP技術是對SoC實現小型化的重要補充。因此，SoC/MCM（SIP）技術固有的技術優點，是航空電子系統低功耗、高性能、高可靠、超小型化的發展的永恒追求，也是航空電子系統發展迫切需要的核心技術之一。

航空微電子產業的國內外現狀

航空電子系統所用關鍵集成電路與元器件的基本上可以分為四大類別：通用高端芯片、航空專用集成電路、機載任務子系統專用處理芯片、航空核心元器件。

1、通用高端芯片，主要是指處理類、存儲類、電源類、A/D、D/A、OP等類別的集成電路。高端通用芯片決定航空電子系統的整體性能，是航空系統中不可缺少的一類重要器件。由于武器裝備發展的需求超前于我國集成電路的研制和國產化，各項主戰裝備進入設計定型時，國內出現無“芯”可用的狀況，導致定型裝備的高端通用芯片基本依賴于進口，在重點型號中幾款用量大的CPU芯片大都要依靠進口，只有少數是國產化的CPU芯片，而且性能都比較低。

2、航空專用集成電路，主要包是指總線網絡及相關標準協議，以及使用MCM、SIP設計的模塊。航空專用集成電路一般分為兩種：第一種是滿足航空標準、協議和規范的專用電路，如支持ARINC429協議、1553B協議、光纖通道FC-AE協議等的電路，它決定了航空電子系統的體系結構。這類芯片主要是總線協議處理類芯片，是航空電子系統的“中樞神經”，遍布飛機的各個部件和角落。第二種是滿足飛機應用環境要求的專用集成電路。這類芯片是面向航空電子系統的應用需求特點開發的芯片。歐美新一代飛機研制中，廣泛使用了SoC/MCM(SIP)技術手段，實現低功耗、高性能、高可靠性、超小型化的最終目標。為了達到F-22等新一代飛機綜合核心處理機（ICP）對“性能/體積”方面的要求，美國“寶石臺”計劃中定義了多達12種MCM。

3、機載任務子系統專用處理電路，主要包括彈載計算機小型化核心芯片、頭顯定位處理系統芯片、頭/平顯畸變校正芯片、機載專用遠程激光測距芯片以及機載防撞系統綜合信號處理芯片等。機載任務子系統專用處理電路是決定航電任務子系統或設備某些特定性能的專用集成電路，如彈載計算機、頭顯定位處理系統芯片、頭/平顯畸變校正芯片、機載專用遠程激光測距芯片和機載防撞系統綜合信號處理芯片。目前國內該類任務子系統多采用專用電路板卡實現，缺點主要在于體積大、功耗高、集成度低、數據處理時間長等。

4、航空核心元器件，包括航空專用傳感器、制導與導航器件、連接器、斷路器、T/R組件等，這是在航電系統或設備中有重要作用的元器件，如光電探測器、光電收發器、航空連接器、航空專用壓力傳感器敏感元件及處理芯片、GNC電路、相控陣雷達中的超薄三維集成射頻模塊等。

航空微電子國內外產業發展

以航空關鍵集成電路和元器件為核心的航空微電子技術和產品，具有以下特點：品種多、用量少、環境可靠性要求高；研發、驗證及全機壽命維護周期長；對體積、功耗、壽命、性能要求高；投資巨大，技術風險大。

上述特點與微電子產業要求的批量經濟規律相違背，為了降低裝備成本，國外率先開始了通用商用芯片（COTS）應用于軍事工業的研究。根據美國國防部“保持信息優越性”的戰略要求，國防科學部需要提供可信任的、長期的、及時供應的集成電路以及持續提高芯片處理能力和獲取軍事價值信息的新方法。美國國防部針對商用芯片如何應用于軍事需求，也非常慎重。美國國防科學委員會和美國國會認為芯片的離岸制造是一種安全隱患。在目前高度全球化的集成電路產業供應鏈中，產品定義和代碼屬于可信范圍，IP、庫、EDA工具屬于半可信，加工制造屬于不可信。美國國防預研局（DARPA）于2006年啟動了芯片可信任（Trust in IC）計劃，意圖找到一種對芯片的評估和測試方法以確認芯片的安全性和可信性，內容涉及包括IC的設計、制造和封裝。

為支撐航空工業發展需求，基于對航空專用微電子產業的認識，為保持在航空工業技術及相關產品的絕對優勢，歐美發達國家各主要飛機制造公司都有自己微電子技術研發力量和產業鏈，一般包括設計、生產、封裝和測試等各個環節。

國內集成電路相關基礎產業環境薄弱，航空微電子技術和產業遠遠滯后于系統的應用需求，航空電子系統大量使用商業器件且高端芯片大都依靠進口。但事實上商用集成電路和元器件無法完全滿足軍事及航空應用的需求，且存在重大技術、安全隱患：

★不能滿足持久、可控的自主保障能力

·戰爭情況下能否依賴別人？庫存能夠支持多久的戰爭？

·能否具備航空武器全壽命周期保障性？

★惡劣環境、各種“極端”條件下，不能滿足系統功能完整性、確定性

·必須考慮惡劣環境、各種極端條件系統環境適應性和瞬態可靠性；

·惡劣環境、特殊需求的關鍵物理指標的滿足。

★不能滿足未來信息化裝備在惡劣應用環境下對高性能、高可靠等需求

·嵌入式高性能計算機可以達到100GFlops量級，網絡帶寬需求可以達到100Gb/S，存儲容量100G，即3個100G的需求，2020年可能達到3個1000G；

·軍事需求對于實時性、可靠性等都有嚴格的要求，商用器件難以滿足。

★系統應用支撐能力

·航空電子系統是復雜軟硬一體、高安全性的實時系統，對于開發環境及各種EDA工具、開發過程、驗證過程手段和方法學都提出高安全性的要求。

★商用產品可能存在安全隱患

總結

在競爭激烈的21世紀，面向新一代飛機研制，國內以中航計算所為代表的相關單位，基于目前新一代飛機航空專用集成電路需求牽引，以機載總線網絡接口芯片（高速1553B/FC/AFDX/ARINC659/Mil-1394）、機彈載計算機小型化和航空多媒體研制為核心，以先進的SoC/SIP(MCM)/ASIC(IP) /FPGA(SOPC)為技術手段，采取以設計為核心的Fabless/Chipless發展模式，開展航空專用集成電路技術和產品的研制工作，已經具備一定的研制能力，但仍然沒有建立完整的航空專用集成電路的技術和產品譜系，尚有很多關鍵技術有待突破，加之國內相關產業基礎薄弱，航空專用集成電路的研發還處于艱難的初級階段。

“一代器件，一代整機，一代裝備”形象地說明了集成電路的重要性。沒有先進、可靠的航空專用器件與集成電路就談不上有先進、可靠的航空武器裝備。大力發展航空微電子技術和產業，借鑒國外發展的先進發展經驗，盡快建立我國大航空、強航空配套的一個自主創新、能力不斷提高、產業規模不斷擴大的技術和產業體系，不僅是突破國外產品和技術封鎖的需要，更是實現航空電子系統自主設計、核心技術自主保障、取得航空產業技術和商業成功的發展需要。這對于保障航空武器裝備國防實力，推動社會進步，具有極其重要的戰略意義和現實意義。希望通過本文拋磚引玉，有效推動我國航空微電子技術快速發展，全面提升航空電子的核心競爭力。

（作者單位：中航工業西安航空計算技術研究所）